Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн (варианты) и устройство для его осуществления

 

Способ и устройство используется в нелинейной интегральной и волоконной оптике. Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн осуществляется с использованием туннельно связанных нелинейных оптических волноводов, обладающих кубичной и/или квадратичной нелинейностью, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, и включает ввод оптического излучения с длиной волны одно- и/или двухфотонного экситонного резонанса полупроводниковой структуры и с интенсивностью выше пороговой по крайней мере в один нелинейный волновод и разделение и/или выделение излучений путем вывода излучений из различных волноводов и/или посредством разделителя, причем при вводе оптического излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение во времени интенсивности, и/или фазы, и/или длины волны, и/или поляризации вводимого оптического излучения, или внешнего электрического или магнитного поля, приложенного к нелинейному волноводу, при этом через волноводы в поперечном направлении пропускают электрический ток. Устройство содержит два туннельно связанных нелинейных оптических волновода и по крайней мере один оптический элемент ввода и/или вывода, расположенный соответственно на входе и/или выходе по крайней мере одного нелинейного волновода. Слоистая полупроводниковая структура волновода снабжена контактами для пропускания электрического тока через структуру в направлении, перпендикулярном слоям, соединенным с источником тока. Изобретение позволяет снизить пороговую и критическую интенсивности вводимого излучения, при которых достигаются высокие дифференциальные коэффициенты усиления, и повысить глубину (контраст) переключения и модуляции и величину дифференциального коэффициента усиления. Расширена область применения. 3 с. и 62 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики, а точнее к области оптических переключателей, модуляторов и оптических транзисторов, и может быть использовано в волоконно-оптических линиях связи, в оптических логических схемах и в других областях, где требуется полностью оптическое переключение, модуляция и усиление излучения.

Известны способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн и устройство для его реализации (патент СССР N 1152397, кл. G 02 B 1/37, приоритет 22.09.82, публикация 15.12.88.). Способ заключается в введении излучений сигнала и накачки в два туннельно связанных оптических волновода (ТСОВ), обладающих кубично-нелинейной восприимчивостью. Переключение или модуляция сигнального излучения переменной интенсивности достигается за счет изменения показателя преломления материала волноводов. Недостатком данного способа является то, что он не позволяет сочетать большой нелинейный коэффициент волноводов с низкими оптическими потерями излучения в волноводах и высокой эффективностью ввода излучения в волноводы. Кроме того, область применения данного способа ограничена, т.к. модуляция сигнального излучения может производиться только по интенсивности.

Устройство, реализующее данный способ, выполнено в виде двух ТСОВ, обладающих кубично-нелинейной восприимчивостью. Помимо отмеченных выше недостатков, такое устройство вносит потери, обусловленные отсутствием коллимирующей оптики на входе и выходе.

Известны способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн и оптическое переключающее устройство (R.Jin, C.L.Chuang, H.M.Gibbs, S.W.Kohh, J.N.Polky, G.A.Pubans "Picosecond all-optical switching in singl-mode GaAs/AIGaAs striploaded nonlinear directional couplers", Appl. Phys. Lett., 53 (19), 1977, p.1791-1792). Способ заключается в переключении (или модуляции) излучений, вводимых в два ТСОВ, выполненных в виде слоистых полупроводниковых структур типа MQW (multiple quantum well) с чередующимися слоями. Переключение или модуляция достигается за счет нелинейного оптического эффекта, заключающегося в изменении показателя преломления по крайней мере одного волновода при изменении интенсивности излучения, вводимого в волноводы. Длина волны излучений выбираются близкой к длине волны экситонного резонанса для обеспечения максимального кубично-нелинейного коэффициента волноводов. В этом способе пропускание волноводов на рабочей длине волны составляет 1%, что обусловлено максимальным коэффициентом поглощения материала волновода на длине волны экситонного резонанса. Малое пропускание и модуляция излучения только по интенсивности ограничивает область применения способа.

Устройство, реализующее данный способ, включает два ТСОВ, выполненных в виде слоистых полупроводниковых структур типа MQW с чередующимися слоями GaAs/AIGaAs. Помимо отмеченных выше недостатков, такое переключающее устройство вносит потери, обусловленные отсутствием коллимирующей оптики на входе и выходе.

Технический результат изобретения выражается в снижении пороговой и критической интенсивностей вводимого излучения, при которых достигаются высокие дифференциальные коэффициенты усиления и повышении глубины (контраста) переключения и модуляции и величины дифференциального коэффициента усиления. Кроме того, достигается расширение области применения способа и устройства.

В первом варианте способа поставленная задача решается тем, что в способе переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, осуществляемом с использованием нелинейных ТСОВ, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями (т. е. слоистой полупроводниковой квантоворазмерной структуры), содержащей по крайней мере два гетероперехода, включающем ввод оптического излучения по крайней мере в один нелинейный волновод, и вывод излучений, используют волноводы, обладающие кубичной и/или квадратичной нелинейностью, при вводе оптического излучения с интенсивностью выше пороговой в нелинейный волновод осуществляют изменение во времени интенсивности, и/или длины волны, или поляризации вводимого оптического излучения, или внешнего электрического или магнитного поля, приложенного по крайней мере к одному нелинейному волноводу, при этом длину волны λ излучения выбирают из условия, 0,5λ_r≅ λ ≅ 1,5λ_r, где λ_r - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре, а при выводе излучений осуществляют разделение и/или выделение излучений путем вывода излучений из различных волноводов и/или посредством разделителя, при этом через волноводы в поперечном направлении пропускают электрический ток.

Для увеличения дифференциального коэффициента усиления и обеспечения линейности усиления в случае кубично-нелинейных ТСОВ при вводе излучения выбирают его интенсивность в диапазоне от 0,5 I_м до 1,5 I_м, где l_м - критическая интенсивность.

В частности, в случае кубично-нелинейных ТСОВ при вводе излучения выбирают его интенсивность в диапазоне от 0,9 l_м до 1,1 l_м.

При этом, в частности в случае преобразования частот в квадратично нелинейных волноводах или для избавления от паразитных мод, разделяют излучения различных поляризаций и/или различных длин волн и/или различных мод или выделяют излучение по крайней мере одной поляризации, и/или длины волны, и/или моды посредством разделителя (например, поляризатора, дисперсионного элемента, частотного фильтра, периодической структуры).

В частном случае используют излучение линейной, или циркулярной, или эллиптической поляризации.

Как правило, используют излучение полупроводникового лазера с регулируемой и/или стабилизируемой длиной волны, причем длину волны регулируют и/или стабилизируют изменением и/или стабилизацией температуры полупроводниковой структуры лазера.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучения в нелинейный волновод и/или после прохождения им волновода излучения фокусируют и/или коллимируют с помощью цилиндрических линз и/или граданов либо ввод излучения по крайней мере в один волновод и/или вывод излучений осуществляют посредством входного и/или по крайней мере одного выходного оптического волновода с выполненной на его входном и/или выходном торце линзы.

Для обеспечения модуляции оптического сигнала электрическим током на основе эффекта Фарадея входной волновод выполнен из магнитооптического материала и помещен в соленоид, через который пропускают переменный электрический ток, модулирующий поляризацию излучения, или выполнен в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.

С целью обеспечения возможности управляемости (в частности, для отстройки от шумов и помех в оптических линиях связи) электрический ток пропускают через волноводы в заданные интервалы времени.

Для снижения пороговой интенсивности излучения (за счет сближения длин волн излучения и экситонного резонанса полупроводниковой структуры) и устранения влияния внешних температурных воздействий регулируют температуру полупроводниковой MQW-структуры по крайней мере одного нелинейного оптического волновода для регулирования длины волны экситонного резонанса полупроводниковой MQW-структуры и/или стабилизируют температуру этой полупроводниковой MQW-структуры.

В частном случае регулируют и/или стабилизируют температуру полупроводниковых MQW-структур с помощью элемента Пельтье, снабженного контроллером и/или стабилизатором температуры.

Для устранения обратного влияния излучения, отраженного от торцов волноводов и других оптических элементов, на источник излучения или иные оптические элементы, расположенные перед указанными волноводами, а также для устранения влияния отраженного излучения на нелинейные волноводы, перед входом волноводов и/или на их выходе установлен оптический изолятор.

Во втором варианте способа поставленная задача решается тем, что в способе переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, осуществляемом с использованием ТСОВ, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, включающий ввод оптического сигнального излучения по крайней мере в один из нелинейных волноводов и оптического излучения накачки по крайней мере в один нелинейный волновод, и вывод излучений, используют волноводы, обладающие кубичной и/или квадратичной нелинейностью, интенсивность излучения накачки выбирают выше пороговой, при вводе сигнального излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение во времени интенсивности, или фазы, или длины волны, или поляризации сигнального излучения, и/или фазы излучения накачки, или изменение во времени интенсивностей, или поляризацией излучения накачки и сигнального излучения, при этом длину волны λ излучения накачки и/или сигнального излучения выбирают из 0,5λ_r≅ λ_r ≅ 1,5λ_r, где λ_r - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре, а при выводе излучений осуществляют разделение и/или выделение излучений путем вывода из различных волноводов и/или посредством разделителя, осуществляют при этом через волноводы в поперечном направлении пропускают электрический ток.

Для увеличения дифференциального коэффициента усиления и обеспечения линейности усиления в случае кубично-нелинейных ТСОВ при вводе излучения накачки выбирают его интенсивность в диапазоне от 0,5 I_м до 1,5 I_м, где - I _mкритическая интенсивность.

В частности, в случае кубично-нелинейных ТСОВ при вводе излучения накачки выбирают его интенсивность в диапазоне от 0,9 I_м до 1,1 I_м.

Для осуществления переключения или модуляции в случае двух или более сигнальных излучений в режиме логических операций И, ИЛИ одновременно с вводом сигнального излучения осуществляют ввод еще по крайней мере одного сигнального излучения в этот же или в другой нелинейный волновод, причем у всех сигнальных излучений переменными являются одни и те же параметры.

При использовании излучений различных поляризаций или длин волн, или в случае преобразования частот в квадратично нелинейных волноводах, или для избавления от паразитных мод посредством разделителя (например, поляризатора, дисперсионного элемента, частотного фильтра) разделяют излучения различных поляризаций и/или различных длин волн и/или различных мод или выделяют излучение по крайней мере одной поляризации и/или длины волны и/или моды.

Как правило, интенсивность излучения накачки по крайней мере на порядок больше интенсивности сигнального излучения.

В частном случае используют излучение накачки и сигнальное излучение с интенсивностями, отличающимися от их среднего геометрического значения не более чем на порядок.

Как правило, используют излучение накачки полупроводникового лазера с регулируемой и/или стабилизируемой длиной волны, причем в частном случае длину волны регулируют и/или стабилизируют изменением и/или стабилизацией температуры полупроводниковой структуры лазера.

В различных частных случаях реализации способа можно использовать излучение накачки и сигнальное излучение с одинаковой поляризацией и/или одинаковой длиной волны.

В частных случаях используют излучение накачки и сигнальное излучение с различной линейной поляризацией, в частности, линейной взаимно ортогональной поляризацией; противоположных циркулярных поляризаций; различной эллиптической поляризации, при этом на выходе нелинейных волноводов излучения различных поляризаций разделяются или по крайней мере одно из них выделяется посредством разделителя.

В частном случае используют излучение накачки и сигнальное излучение различных длин волн, при этом на выходе нелинейных волноводов излучения различных длин волн разделяются или по крайней мере одно из них выделяется посредством разделителя.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучений в нелинейный волновод и/или после прохождения ими волноводов излучения фокусируют и/или коллимируют цилиндрическими линзами и/или граданами. Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучения в нелинейный волновод и/или после прохождения им волновода ввод излучений в нелинейные волноводы и/или вывод излучений из волноводов осуществляют посредством по крайней мере одного входного и/или по крайней мере одного выходного оптического волновода, которые устанавливают с помощью юстировки по люминесцентному излучению по крайней мере одного нелинейного волновода при пропускании через него электрического тока.

В частности, на входных и/или выходных торцах входных и/или выходных оптических волноводов выполнены линзы.

Для обеспечения модуляции оптического сигнала электрическим током на основе эффекта Фарадея по крайней мере один входной волновод выполнен из магнитооптического материала и помещен в соленоид, через который пропускается переменный электрический ток, модулирующий поляризацию сигнального излучения, или выполнен в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.

С целью обеспечения возможности управляемости (в частности, для отстройки от шумов и помех в оптических линиях связи) электрический ток пропускают через полупроводниковую структуру в заданные интервалы времени.

Для снижения пороговой интенсивности излучения (за счет сближения длин волн излучения и экситонного резонанса полупроводниковой структуры) и устранения влияния внешних температурных воздействий регулируют температуру полупроводниковой MQW-структуры по крайней мере одного нелинейного оптического волновода для регулирования длины волны экситонного резонанса полупроводниковой MQW-структуры и/или стабилизируют температуру этой полупроводниковой MQW-структуры.

В частном случае регулируют и/или стабилизируют температуру полупроводниковых MQW-структур с помощью элемента Пельтье, снабженного контроллером и/или стабилизатором температуры.

Для устранения обратного влияния излучения, отраженного от торцов волноводов и других оптических элементов, на источник излучения или иные оптические элементы, расположенные перед указанными волноводами, а также для устранения влияния отраженного излучения на нелинейные волноводы перед входом волноводов и/или на их выходе установлен оптический изолятор.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, содержащем два нелинейных ТСОВ, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, устройство содержит по крайней мере один оптический элемент ввода и/или вывода, расположенный соответственно на входе и/или выходе по крайней мере одного нелинейного волновода, каждая слоистая полупроводниковая структура снабжена контактами для пропускания электрического тока через структуру в направлении, перпендикулярном слоям, соединенными с источником тока, причем элементы ввода и/или вывода и нелинейные волноводы выполнены в виде единого модуля, при этом элементы ввода и/или вывода установлены относительно по крайней мере одного нелинейного волновода с точностью, обеспечиваемой их юстировкой по люминесцентному излучению полупроводниковой структуры при пропускании через нее электрического тока.

Как правило, источник тока является низкошумящим с шумами, не превышающими 0,5 мА.

Как правило, устройство для переключения и модуляции в качестве источника излучения накачки дополнительно содержит полупроводниковый лазер, соединенный с одним (нулевым) нелинейным волноводом посредством элемента ввода.

Для повышения эффективности переключения и модуляции используют полупроводниковый лазер с шириной линии, не превышающей 20 В частности, полупроводниковый лазер выполнен с внешним резонатором и/или дисперсионным элементом.

В частности, дисперсионный элемент выполнен в виде дифракционной решетки.

При этом нелинейные ТСОВ могут быть выполнены разделяющими излучения различных поляризаций и/или длин волн и/или мод на выходе устройства.

В частном случае выполнения каждая полупроводниковая структура выполнена в виде чередующихся слоев GaAs/Al_xGa_1-xAs, или ln_1-xGa_xAs_yP_1-y/GaAs, или Ga_xIn_1-xAs/GaAs.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучений в волновод элементы ввода и/или вывода выполнены в виде объективов.

В частности, по крайней мере один объектив состоит из цилиндрической линзы и/или градана.

В другом частном случае элементы ввода и/или вывода выполнены в виде входного и/или выходных оптических волноводов, в частности, со сформированной на его входном и/или выходном торце линзой.

Для объединения сигнального излучения и излучения накачки устройство содержит смеситель излучения накачки и по крайней мере одного сигнального излучения, установленный на входе устройства.

В частном случае смеситель выполнен в виде волноводного соединителя, выходная ветвь которого является входным волноводом.

В частности, волноводный соединитель выполнен в виде по крайней мере одного Y-соединителя или направленного ответвителя.

Для обеспечения возможности модуляции оптического излучения электрическим током на основе эффекта Фарадея по крайней мере один входной волновод выполнен из магнитооптического материала и помещен в соленоид, через который пропускается переменный электрический ток, модулирующий поляризацию сигнального излучения, или выполнен в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.

В частном случае элементы ввода и/или вывода соединены с нелинейными волноводами склейкой; либо элементы ввода и/или вывода соединены с нелинейными волноводами посредством миниатюрных механических соединителей.

В частном случае разделитель предназначен для разделения или выделения излучений различных поляризаций и выполнен в виде поляроида, или поляризационной призмы, или двоякопреломляющей призмы, или направленного ответвителя, разделяющего поляризацию.

В другом частном случае разделитель предназначен для разделения или выделения излучений различных длин волн и выполнен в виде дисперсионного элемента, или фильтра, или направленного ответвителя.

В третьем частном случае разделитель предназначен для разделения или выделения излучений различных мод и выполнен в виде диафрагмы или волноводного разделителя мод.

Дополнительно на входе и/или выходе нелинейных волноводов могут быть установлены диафрагма и/или кварцевый кубик.

Для снижения пороговой интенсивности излучения (за счет сближения длин волн излучения и экситонного резонанса полупроводниковой структуры) и устранения влияния внешних температурных воздействий в устройство дополнительно введен элемент Пельтье, который находится в тепловом контакте с нелинейными волноводами, а полупроводниковый лазер и/или элементы Пельтье снабжены контроллерами и/или стабилизаторами температуры; или полупроводниковый лазер и/или нелинейные волноводы снабжены драйверами и/или стабилизаторами тока.

С целью обеспечения возможности управляемости (в частности, для отстройки от шумов и помех в оптических линиях связи) источник постоянного тока снабжен быстродействующим выключателем. Для обеспечения возможности построения логических схем устройство для переключения и модуляции волн дополнительно содержит по крайней мере один модуль, аналогичный первому, причем по крайней мере один элемент ввода каждого последующего модуля оптически связан по крайней мере с одним элементом вывода предшествующего модуля.

В частном случае элементы ввода/вывода расположенных последовательно модулей выполнены в виде единых или состыкованных волноводов.

Для устранения обратного влияния излучения, отраженного от торцов волноводов, на источник излучения или иные оптические элементы, расположенные перед указанными волноводами, перед элементами ввода или после элементов вывода установлены оптические изоляторы.

В частном случае, оптические изоляторы выполнены магнитооптическими волноводными.

В частном случае оба нелинейных ТСОВ выполнены в виде единой слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображено сечение волновода, выполненное в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями.

На фиг.2 схематически изображены варианты устройства для оптического переключения и модуляции с объективами, выполненными в виде цилиндрической линзы и градана.

На фиг. 3 схематически изображены варианты выполнения устройства для оптического переключения и модуляции с входными и выходными волноводами.

На фиг. 4 изображено поперечное сечение одного из нелинейных оптических волноводов гребешкового типа на основе MQW-структуры, поверхность которого покрыта тонким слоем золота (показано распределение концентрации Ga и Al в направлении, перпендикулярном слоям структуры).

На фиг. 5 изображен вид сверху на один из нелинейных оптических волноводов и видны контактные пластины для закрепления электродов.

На фиг. 6 представлена зависимость коэффициента передачи мощности нулевым волноводом в случае ввода оптического излучения в один из идентичных ТСОВ (нулевой); вертикальные линии соответствуют пороговой и критической интенсивности.

На фиг. 7 схематически изображен вариант выполнения устройства для оптического переключения и модуляции, которое может выполнять роль усилителя оптических сигналов (например, ретранслятора в волоконно-оптической линии связи).

На фиг. 8 схематически изображен вариант выполнения устройства для оптического переключения и модуляции, которое может выполнять роль преобразователя фазовой модуляции в амплитудную.

Способ переключения однонаправленных распределенно-связанных волн осуществляется путем взаимодействия (обмена энергией) этих волн в нелинейных ТСОВ. При этом на вход одного волновода в одном из вариантов способа подаются сигнальное излучение и излучение накачки. Сигнальное излучение является управляющим или информационным сигналом; излучение накачки вводится в один или оба волновода с целью обеспечения нелинейного режима, т.е. достижения дифференциального коэффициента усиления интенсивности излучения, существенно отличного от единицы. Как правило, интенсивность сигнального излучения как минимум на порядок меньше интенсивности излучения накачки, однако интенсивности указанных излучений в ряде случаев могут быть соизмеримы.

Коэффициент передачи энергии из одной волны в другую зависит от разности эффективных показателей преломления этих волн (или от разности фазовых скоростей этих волн) и поэтому зависит от интенсивности излучения на входе модуля, т. к. в нелинейном волноводе используется нелинейная среда - многослойная структура, изображенная на фиг. 1, 4 и 5. В качестве нелинейной среды может использоваться и однослойная структура типа MQW (т.е. структура, содержащая два гетероперехода), которая называется также SQW (single quantum well) структурой. Для обеспечения нелинейного режима интенсивность излучения накачки должна быть не менее некоторой пороговой величины I_пор, при которой нелинейные эффекты, вызывающие описанные выше явления, существенны. Установлено, что такой пороговой величиной является интенсивность излучения накачки, при превышении которой существует хотя бы одно абсолютное значение хотя бы одного из дифференциальных коэффициентов усиления превышающее 1,1, где k = 0,1- номер волновода (нулевой или первый), I - индекс, указывающий, что интенсивность относится к излучению на выходе волновода, при этом буква l символизирует длину туннельной связи волноводов, т.е. значение интенсивности берется при координате z = I второй индекс 0 у I₀₀ и I₁₀ указывает, что интенсивность относится к излучению на входе волновода; ω_j символизирует одну из возможных несущих частот на входе, т.е. на вход одного или обоих волноводов могут поступать излучения как одной несущей частоты (j=1, ω_j = ω), так и двух различных частот (например ω₁ = ω, ω₂ = ν, причем соотношение между ω и ν может быть различным; или ω_j = jω, j=1,2), а также трех различных частот (j=1,2,3), четырех различных частот (j=1,2,3,4) и большего числа различных частот; p_m символизирует одну из возможных поляризаций на входе, т.е. в один или оба волновода могут вводиться излучения различных линейных, круговых или эллиптических поляризаций, при этом индекс m обозначает номер поляризации; в случае ввода излучения одной поляризации m=1, в случае ввода излучений двух поляризаций m=1,2, в случае трех и более поляризаций m=1,2,3... .

Для кубично-нелинейных ТСОВ, как правило, пропорциональна K/|Θ|, где K - коэффициент туннельной связи волноводов, а Θ = (Θ₀+Θ₁)/2 - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов.

Наряду с интенсивностью можно оперировать также понятием мощности оптического излучения P, которая однозначно связана с интенсивностью: P=I/S_эфф, где S_эфф - эффективное сечение нелинейного волновода. Поэтому пороговой интенсивности I_пор соответствует пороговая мощность P_пор, а критической интенсивности I_м соответствует критическая мощность излучения P_М.

Расчеты и эксперименты показали, что при изменении интенсивности сигнального излучения и достижении значений мощности накачки выше порогового происходит переключение излучения из одного волновода в другой (т.е. резкое изменение соотношения между интенсивностями различных волн на выходе ТСОВ), и на выходе появляется усиленный информационный сигнал. За счет указанного изменения соотношения интенсивностей волн можно также осуществлять модуляцию, т.е. вносить информацию в когерентную волну.

При этом излучение накачки и сигнальное излучение может быть как одинаковой частоты и поляризации, так и различных частот или различаться поляризацией. Кроме того, как сигнальное излучение, так и излучение накачки может быть в виде солитонов.

В кубично-нелинейных волноводах при изменении интенсивности сигнального излучения, частота которого отличается от частоты излучения накачки, так же как и в случае равенства частот, может происходить переключение излучения из одного волновода в другой. Таким образом можно осуществить резкий переброс мощного излучения заданной частоты на выходе нелинейных ТСОВ из одного волновода в другой малым изменением мощности слабого излучения другой частоты. При этом на выходе волноводов потребуется фильтрация излучения для выделения усиленного управляющего или информационного сигнала на частоте накачки.

В квадратично-нелинейной среде при определенных условиях малое изменение интенсивности сигнала вызывает резкое переключение излучения на выходе с одной частоты на другую. Как правило, излучение накачки в этом случае имеет частоту ω или 2ω при частоте сигнального излучения соответственно 2ω или ω. В квадратично-нелинейных ТСОВ при определенных условиях, так же как и в кубично-нелинейных, возможно также переключение излучения на выходе из одного волновода в другой ТСОВ.

Быстродействие устройств, реализующих способ переключения или модуляции в квадратично-нелинейных средах, существенно выше, чем в кубично-нелинейных, поскольку время релаксации квадратичной нелинейности меньше.

Синхронизм между волнами на основной и удвоенной частотах может достигаться за счет использования синхронизма связанных волн в ТСОВ (А.А.Майер "Синхронизм "связанных мод" и синхронное нелинейное взаимодействие волн в связанных волноводах", "Квантовая электроника", том 7, N 7, 1980г., с. 1596-1598) и частично за счет двулучепреломления каждого волновода.

Для увеличения двулучепреломления слоистой структуры с целью повышения эффективности преобразования частоты и переключения за счет улучшения фазового согласования волн на различных частотах ω и 2ω можно использовать слоистую структуру GaAs/AIAs; при этом для увеличения двулучепреломления структуры можно AIAs преобразовать в оксид со значительно меньшим показателем преломления.

Синхронизм может обеспечиваться путем периодической модуляции нелинейности и/или эффективного показателя преломления волновода.

Можно применять электрооптическую или механическую настройку в синхронизм.

При вводе излучений накачки и сигнала разных частот или поляризаций потребуется устройство для разделения излучений (выделение усиленного сигнала) на выходе волноводов.

При переключении волн различных частот, или различных циркулярных поляризаций, или ортогональных поляризаций коэффициент усиления не зависит от фазы сигнала на входе, таким образом можно устранить паразитное влияние фазы сигнала.

Помимо изменения интенсивности сигнала на входе переключение и модуляция могут осуществляться изменением частоты или изменением поляризации сигнала, поскольку коэффициент передачи энергии из одной волны в другую зависит от коэффициента туннельной связи волноводов, который различен для волн различных частот и различных поляризаций.

Например, изменение коэффициента туннельной связи при изменении входной поляризации излучения обусловлено тем, что при изменении угла между вектором поля и плоскостью слоев полупроводникой MQW-структуры, т.е. осью эллипса показателя преломления в поперечном сечении волновода ("быстрой" или "медленной" осью) происходит изменение показателей преломления волноводов, что и приводит к изменению коэффициента туннельной связи. Переключение и модуляция оптического излучения могут достигаться за счет изменения разности показателей преломления волноводов путем изменения внешнего электрического или магнитного поля, приложенного по крайней мере к одному нелинейному волноводу.

Переключать и модулировать оптическое излучение можно также модуляцией вектора поляризации под действием электрического тока. Для этого используется эффект Фарадея. При пропускании через соленоид, окружающий входной волновод, переменного электрического тока, изменение которого соответствует полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому), изменяется ориентация вектора электрического поля относительно слоев MQW-структуры на выходе ячейки Фарадея и соответственно на входе MQW-структуры, что приводит к изменению коэффициента туннельной связи между волноводами.

Изменять длину волны излучения лазера можно, меняя температуру полупроводниковой структуры лазера с помощью изменения тока через элемент Пельтье, который находится в тепловом контакте с полупроводниковой структурой лазера. Таким образом, можно точно настраиваться на длину волны экситонного резонанса, тем самым достигая рекордно высоких нелинейных коэффициентов и, следовательно, рекордно малых пороговых мощностей.

Переключение излучения достигается также изменением фазы излучения сигнала на входе волноводов (или фазы излучения накачки). При этом интенсивность сигнала может не меняться. Сильное влияние фазы на перераспределение мощности между волноводами обусловлено интерференцией излучений сигнала и накачки на входе и зависимостью результирующей интенсивности от входной разности фаз сигнала и накачки.

Переключение или модуляция сигнала происходят независимо от того, в какой волновод подается сигнал, а в какой - накачка, а также от количества сигнальных излучений и излучений накачки, подаваемых в волноводы. Это иллюстрируется различными вариантами ввода излучений, схематично изображенными на фиг.3 (эти варианты не являются исчерпывающими).

В другом варианте способа переключение и модуляция осуществляется малой модуляцией одного пучка достаточно мощного излучения (накачки). В этом случае модулирующим параметром является интенсивность излучения, или частота излучения, или его поляризация. В случае изменения интенсивности переключение достигается за счет изменения эффективного показателя преломления волны в волноводе; в случае модуляции частоты или поляризации излучения - за счет изменения коэффициента туннельной связи волноводов.

Хотя способ может иметь применение при превышении пороговой интенсивности, наибольший интерес он представляет вблизи критической интенсивности, соответствующей так называемой средней точке самопереключения M. Критическую интенсивность можно определить как интенсивность излучения, вблизи которой достигаются максимальный дифференциальный коэффициент усиления и линейность усиления (усиление происходит без искажения формы сигнала на выходе). В простейшем случае ввода излучения в один из идентичных кубично-нелинейных ТСОВ критическая интенсивность I_м определяется формулой I_м = 4K/|Θ|, а дифференциальный коэффициент усиления в средней точке самопереключения M определяется формулой ∂I_0l/∂I₀₀ ≈ -∂I_1l/∂I₀₀ ≈ exp(L)/8, где L/ π = l/lлп - число линейных перекачек энергии, укладывающихся на длине туннельной связи l в линейном режиме; l_лп - длина одной линейной перекачки. Например, для фиг.6 L= 1,4 π и в точке M ∂I_0l/∂I₀₀≈ 10,16. В общем случае критическую интенсивность можно найти из условия обращения в ноль модуля эллиптических функций, через которые выражаются интенсивности волн на выходе системы. Она соответствует также автосинхронизации волн на выходе волноводов.

Длина волны излучения, как правило, выбирается близкой к длине волны экситонного и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре, т. к. при этом максимален нелинейный коэффициент (как кубичный, так и квадратичный) волновода, и следовательно, обеспечивается наиболее эффективное переключение. Выбор величины отклонения длины волны излучения от длины волны экситонного резонанса связан с выбором требуемой величины нелинейного коэффициента волновода. Однако поглощение излучения на длине волны экситонного резонанса максимально. Поэтому через волновод (в поперечном направлении) пропускается электрический ток, обеспечивающий снижение поглощения вблизи резонансной области поглощения (где достигается максимальная, рекордная по величине нелинейность) по крайней мере на порядок по сравнению со случаем отсутствия указанного тока. За счет пропускания тока сближаются населенности верхнего и нижнего уровней и падает поглощение и, таким образом, резко снижается критическая интенсивность и пороговая интенсивность (т. е. входная интенсивность накачки, необходимая для эффективного переключения) оптического излучения, вводимого в волновод.

И в том, и в другом вариантах способа осуществляется стабилизация длины волны экситонного резонанса полупроводниковой структуры волноводов путем стабилизации ее температуры, при этом изменением температуры предварительно выбирается длина волны экситонного резонанса.

При определенных значениях интенсивности излучения на входе оптического модуля и определенном значении тока можно обеспечить два режима работы переключателя: в отсутствии тока переключения нет (излучения на выходе нет), а при пропускании тока происходит эффективное переключение (при тех же значениях интенсивности излучения). Это создает возможность управления режимами переключения. Такое управление может происходить по заранее заданной программе или по специальному (служебному) сигналу, который выделяется из информационного (сигнального излучения) и задает границы временного отрезка, в течение которого сигнал подлежит усилению. При этом отсекаются шум и ложные сигналы.

Переключение может осуществляться и с использованием нескольких независимых сигнальных излучений, в каждом из которых изменяемыми являются одни и те же параметры. Выбор соотношения между величиной сигналов и шириной участка усиления определяет режим переключения (И или ИЛИ). Для логического элемента И величина сигналов и ширина участка усиления выбираются таким образом, что переключение происходит только в случае присутствия на входе всех (или нескольких) сигнальных излучений одновременно. Переключение в режиме ИЛИ осуществляется для каждого из сигнальных излучений, поступивших на вход, что также достигается выбором величины сигналов и ширины участка усиления.

Оптический переключающий модуль содержит туннельно связанные волноводы 1 и 2, каждый из которых выполнен в виде структуры, изображенной на фиг.1 и 4, расположенной на подложке. Полупроводниковая структура содержит не менее двух слоев. На верхнем слое каждой полупроводниковой структуры расположен один электрический контакт 3, на тыльной поверхности подложки или нижнем слое структуры - другой контакт 4.

Для обеспечения оптимальных условий ввода излучений в нелинейные волноводы и вывода излучений из них используются входные и выходные объективы или входные и выходные волноводы. Входной (выходной) объектив состоит, как правило, из цилиндрической линзы 5 и градана 6, в фокальной плоскости которых может быть расположена диафрагма 7. Эффективный ввод и вывод излучений может достигаться применением дополнительных входных волноводов 8, и/или выходных волноводов 9, имеющих сформированную на его входном и/или выходном торце линзу 10.

Для предотвращения обратного влияния отраженного от элементов устройства излучения на лазер используется оптический изолятор 11, установленный на входе устройства. Такой же изолятор может быть установлен на выходе для устранения влияния отраженного от элементов соединенного с выходом оптического устройства излучения на полупроводниковые структуры волноводов (например, изолятор может быть установлен непосредственно за граданом 6, расположенным на выходе нелинейного волновода).

В случае использования излучений различных частот или поляризаций на выходе волноводов устанавливаются разделители 12 излучений. Для разделения излучений различных длин волн оптический разделитель 12 излучений представляет собой дисперсионный элемент или фильтр, например, интерференционный. В этом случае оптический элемент для разделения излучений может быть также выполнен в виде направленного ответвителя (выходной волновод 8). В устройстве, в котором требуется разделение различных поляризаций, разделитель 12 представляет собой поляроид, или поляризационную призму, или двоякопреломляющую призму, или направленный ответвитель. В случае использования выходных волноводов 8 оптический элемент для разделения различных поляризаций может быть выполнен в виде направленного ответвителя, разделяющего поляризацию, либо одиночного волновода, преимущественно поглощающего волну одной поляризации.

На фиг. 2а изображен вариант устройства, в котором на вход подается только излучение накачки. Модуляция или переключение достигается изменением какого-либо параметра излучения накачки.

В случае использования сигнального излучения и излучения накачки (фиг. 2б-2г) для их объединения может использоваться смеситель 13, либо Y-соединитель 14, либо направленный ответвитель.

В варианте, изображенном на фиг.2в, излучение накачки и сигнальное излучение вводится в различные волноводы.

При использовании в устройстве эффекта Фарадея используется входной волновод 8, выполненный в этом случае из магнитооптического стекла с намотанным на него соленоидом.

Соленоид может быть намотан и на одну ветвь Y-соединителя. Обмотки соленоида подключаются к источнику модулирующего тока.

Входной волновод 8 может быть соединен с волноводным оптическим изолятором 11, который, в свою очередь, соединен с лазером 15, при этом все элементы устройства и лазер образуют единый модуль.

Как правило, ширина линии полупроводникового лазера не превышает 20 Для обеспечения такой ширины линии лазер выполняют с внешним резонатором или дисперсионным элементом.

Дисперсионный элемент может представлять собой дифракционную решетку, выполненную в светонесущей жиле волоконного световода, легированного, например, германием с содержанием Ge 5%. Решетка образуется после облучения волокна ультрафиолетовым излучением, например, второй гармоникой аргонового лазера (2400 ). Облучение производится таким образом, чтобы в светонесущей жиле образовалась стоячая волна.

Электрические контакты 2 и 3 соединены с источником постоянного тока, который может быть снабжен быстродействующим выключателем. Выключатель срабатывает либо в соответствии с заранее заданной программой, либо по специальному (служебному) сигналу, выделяемому из сигнального излучения. В этом случае управляющий вход выключателя может быть подключен к приемнику служебного сигнала. Кроме того, наличие электрических контактов существенно облегчает юстировку устройства и повышает ее точность и надежность, что создает возможность для объединения оптических элементов переключателя в единый блок. При прохождении тока нелинейная слоистая светонесущая полупроводниковая MQW-структура начинает люминесцировать, что позволяет, используя слабое излучение люминесценции, выходящее из торцов нелинейного волновода, установить на входном и выходном торцах нелинейного волновода цилиндрические линзы и граданы или входные и/или выходные торцы дополнительных волноводов ввода и вывода излучений (как правило, волоконных), значительно повысив при этом эффективность ввода и вывода излучения. При этом устройство (оптический транзистор, модулятор, логический элемент) становится готовым модулем. Установка цилиндрических линз и граданов дает возможность также работать с коллимированными, аксиально симметричными пучками на входе и на выходе оптического волновода.

Устройство для переключения излучений может использоваться в качестве логического элемента (И или ИЛИ). Конструктивное выполнение устройства в виде единого модуля создает оптимальные возможности для объединения нескольких идентичных устройств в каскад, т.е. для создания логических схем.

Возможность осуществления различных вариантов способа и выполнение устройства иллюстрируется примерами.

Пример 1. Использовались полосковые ТСОВ на основе квантоворазмерной слоистой структуры GaAs-AI_xGa_1-xAs со значением x=0,2. Период структуры составлял 200 Толщина слоев GaAs составляла 100 Ширина полосковых волноводов составляла 3 мкм. Расстояние между волноводами было примерно 2 мкм. Излучение с длиной волны λ =0,86 мкм от полупроводникового лазера вводили в один из волноводов с помощью цилиндрической линзы и градана. Вывод излучения из каждого волновода также осуществлялся цилиндрическими линзой и граданом. При этом вся конструкция, состоящая из ТСОВ, вводных и выводных цилиндрических линз и граданов была оформлена в виде единого модуля. Через ТСОВ в поперечном лучу направлении (вертикальном) пропускался постоянный электрический ток порядка 20 мА. Для этого на волновод сверху был нанесен пленочный электрод 3 (фиг.1, 4 и 5), к которому с помощью термокомпрессии были припаяны тонкие металлические проводки. Верхний слой полупроводниковой структуры, непосредственно примыкающий к пленочному электроду и обеспечивающий электрический контакт, представлял собой сильно легированный GaAs типа p⁺ концентрацией носителей 10¹⁹ см^-3 и имел толщину 0,35 мкм. Снизу волновод был припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной MQW-структуре, приблизительно равнялась 0,86 мкм. Эту длину волны плавно регулировали (из расчета: 0.25 нм/град) и устанавливали затем стабильной, регулируя и устанавливая температуру структуры с помощью регулировки и стабилизации тока через элемент Пельтье, в тепловом контакте с которым находилась эта структура. Тем самым плавно настраивались в область экситонного резонанса (где нелинейность - максимальна) и регулировали (а затем фиксировали) степень близости к нему. По мере приближения к экситонному резонансу уменьшалась величину критической интенсивности, вблизи которой возникает явление самопереключения ОРСВ. Варьируя и устанавливая с помощью регулятора температуру элемента Пельте, можно было варьировать, выбирать, устанавливать и стабилизировать величину критической интенсивности. Настройка в экситонный резонанс (точнее на заданную близость к нему) осуществлялась регулировкой и последующей стабилизацией температуры как нелинейного волновода, так и лазерного излучателя. В последнем случае регулировалась и стабилизировалась длина волны лазера. В области экситонного резонанса на используемой длине волны, за счет близости к резонансу, достигался весьма большой нелинейный коэффициент волноводов, согласно прикидкам, порядка 10^-4 СГСЭ.

Критическая мощность накачки, вблизи которой происходило эффективное самопереключение излучения, была порядка 10 мВт. Малое изменение мощности входного излучения на входе порядка 1 мкВт вызывало в тысячу раз более сильное изменение мощностей на выходе волноводов порядка 1 мВт, причем мощности на выходе волноводов изменялись в противофазе. Оценка суммарной мощности на выходе подтверждает факт резкого уменьшения поглощения. Отметим, что используемое в качестве накачки излучение полупроводникового лазера формировалось в коллимированный аксиально симметричный пучок с помощью цилиндрической линзы и градана.

Пример 2. Использовались те же ТСОВ, через которые в поперечном направлении пропускали электрический ток порядка 10 мА. Излучение к каждому из ТСОВ подводилось по оптическому волоконному световоду, из которого это излучение через оптический контакт вводилось в один из ТСОВ. В один из ТСОВ подавали сигнал, в другой или в этот же волновод - накачку с интенсивностью, близкой к критической. Частота сигнала могла отличаться от частоты накачки, но могла и совпадать с ней. Мощность накачки составляла 10 мВт, а мощность сигнала порядка 10 мкВт, причем мощность сигнала изменялась на величину порядка 10 мкВт. Изменение мощности на выходе волноводов составляло 1 мВт при совпадении частот (длин волн) сигнала и накачки и - 100 мкВт при несовпадении длин волн сигнала и накачки.

Пример 3. Использовались те же ТСОВ, что в примерах 1 и 2, причем частота сигнала совпадала с частотой накачки, а интенсивность накачки выбирали близкой к критической. Но при этом изменяли не входную интенсивность сигнала, а его фазу. Для этого сигнал перед вводом в один из ТСОВ пропускали через электрооптический модулятор, представляющий либо оптический волновод из электрооптического материала, либо электрооптический кристалл. На этот кристалл с помощью электродов подавалось сигнальное переменное электрическое напряжение, модулирующее входную фазу сигнала. При этом происходило резкое перераспределение мощности излучения на выходе между волноводами, и, таким образом, выходное излучение оказывалось промодулированным по амплитуде, т.е. фазовая модуляция на входе, создаваемая в электрооптическом элементе, трансформировалась в амплитудную модуляцию.

Пример 4. Использовались те же ТСОВ, через которые в поперечном направлении пропускали электрический ток порядка 10 мА. Излучение к каждому из ТСОВ подводилось по оптическому волоконному световоду, из которого это излучение через оптический контакт вводилось в один из ТСОВ. В оба волновода подавали накачку, причем в один и/или оба ТСОВ подавали управляющий сигнал и изменяли либо интенсивность сигнала (и/или сигналов) от нуля до максимального значения, либо фазу сигнала (фазы сигналов), оставляя интенсивность сигналов неизменной. Мощность накачки составляла 10 мВт, а мощность сигнала порядка 1 мкВт, причем мощность сигнала изменялась на величину порядка 1 мкВт. Изменение мощности на выходе волноводов составляло 1 мВт.

Пример 5. Использовались полосковые ТСОВ на основе квантоворазмерной слоистой структуры ln_1-xGa_xAs_yP_1-y/GaAs со значением x=0.2, y=2,2x. Период структуры составлял 200 Толщина слоев GaAs составляла 100 . Ширина полосковых волноводов составляла 4 мкм. Расстояние между волноводами было примерно 3 мкм. Длина волны, соответствующая краю зоны поглощения, приблизительно равнялась 1,3 мкм. Излучение с длиной волны λ = 1,3 мкм от полупроводникового лазера вводили в один из волноводов с помощью цилиндрической линзы и градана. Вывод излучения из каждого волновода также осуществлялся цилиндрическими линзой и граданом. При этом вся конструкция, состоящая из ТСОВ, вводных и выводных цилиндрических линз и граданов была оформлена в виде единого модуля. Через ТСОВ в поперечном лучу направлении (вертикальном) пропускался постоянный электрический ток порядка 10 мА, за счет которого уменьшалась абсолютная величина разности населенностей валентной зоны и зоны проводимости и соответственно резко снижалось резонансное поглощение излучения. Осуществлялась плавная температурная подстройка в экситонный резонанс изменением и стабилизацией температуры как нелинейный ТСОВ, так и излучателя лазера. Это достигалось изменением и последующей стабилизацией тока через элементы Пельте, на которых располагался лазерный излучатель и нелинейные ТСОВ. За счет близости к резонансу достигался весьма большой нелинейный коэффициент волноводов порядка 10^-4 СГСЭ. Критическая мощность накачки, вблизи которой происходило эффективное самопереключение излучения, была порядка 10 мВт. Малое изменение мощности сигнала на входе порядка 1 мкВт вызывало в тысячу раз более сильное изменение мощностей на выходе волноводов порядка 1 мВт, причем мощности на выходе волноводов изменялись в противофазе. Суммарная мощность на выходе и входе волноводов была примерно одинакова, что подтверждает факт резкого уменьшения поглощения. Отметим, что используемое в качестве накачки излучение полупроводникового лазера формировалось в коллимированный аксиально симметричный пучок с помощью цилиндрической линзы и градана.

Пример 6. Накачку мощностью порядка 60 мВт с длиной волны λ =0,78 мкм от полупроводникового лазера, поляризованную вдоль вертикальной оси, вводили в один из двух кубично-нелинейных ТСОВ, светонесущая жила которых была изготовлена из слоистой структуры типа GaAs/Al_xGa_1-xAs, с x=0.3, представлявшей набор квантовых ям (multiple quantum well). Период структуры был 200 Толщина светонесущей жилы была 0,5 мкм и на ней укладывалось примерно 25 периодов структуры. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной структуре, приблизительно равнялась 0,78 мкм. Ширина каждого полоскового волновода составляла 3 мкм, а зазор между ними - порядка 1 мкм. Длина туннельной связи волноводов - примерно 3 мм. Коэффициент туннельной связи волноводов составлял K≈5·10^-3 на длине волны λ =0,78 мкм и K≈3·10^-2 на длине волны λ =1,56 мкм. Разность показателей преломления двух ортогонально поляризованных волн в каждом волноводе составляла Δn ≈4·10^-4. Площадь поперечного сечения одного волновода - примерно 10^-7 см². Сквозь волноводы в перпендикулярном лучу (оси волноводов) направлении пропускали слабый электрический ток порядка 10 мА. Для этого на волноводы сверху были нанесены пленочные электроды, к которым с помощью термокомпрессии были припаяны тонкие металлические проводки. Снизу волноводы были припаяны к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. В области экситонного резонанса на используемой длине волны нелинейный коэффициент волновода составлял примерно 2·10^-5 СГСЭ. Ввод и вывод излучения из волновода осуществлялся с помощью цилиндрических линз и граданов, укрепленных на входе и выходе нелинейного волновода. Вся конструкция, содержащая входной градан, входную цилиндрическую линзу, нелинейные волноводы, выходную цилиндрическую линзу и выходной градан имела вид единого модуля. Если одновременно в тот же или соседний нелинейный волновод с помощью смесителя вводилось промодулированное по интенсивности сигнальное излучение с длиной волны λ =1,56 мкм и максимальной мощностью 0,5 мВт, поляризованное ортогонально накачке, то на выходе этого волновода возникало усиленное излучение (с мощностью порядка 50 мВт) с длиной волны λ =1,56 мкм, модуляция которого почти без искажений повторяла модуляцию сигнального излучения на входе, а максимальная мощность составляла 40 мВт. При отсутствии сигнального излучения на входе излучения с длиной волны λ =1,56 мкм на выходе нет. Если же сигнальное излучение на входе есть и его мощность 0.5 мВт, то на выходе мощность излучения с длиной волны λ =1,56 мкм составляет 40 мВт. В данном примере рассмотрено параметрическое преобразование частоты вниз, т.е. деление частоты. Оно основано на квадратичной нелинейности среды, которая так же как и кубичная нелинейность резко возрастает вблизи экситонного резонанса. Причем в данном примере накачка попадает в область экситонного резонанса, а сигнальное излучение - в область двухфотонного экситонного резонанса.

Синхронизм между волнами на основной и удвоенной частотах достигался за счет использования синхронизма связанных волн в ТСОВ и частично за счет двулучепреломления каждого волновода.

Пример 7. Использовались те же волноводы, но накачка мощностью порядка 10 мВт имела длину волны λ =1,55 мкм, а слабый промодулированный сигнал - длину волны =0,78 мкм. В этом случае достигался меньший коэффициент усиления сигнала.

Пример 8. Использовались два планарных (горизонтально расположенных) ТСОВ, светонесущий слой каждого из которых представлял слоистую квантоворазмерную MQW-структуру (набор квантовых ям) вида: GaAs/Al_xGa_1-xAs, с x= 0,22. Период структуры был 200 Толщина светонесущей жилы была около 1 мкм и на ней укладывалось примерно 50 периодов структуры. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной структуре, приблизительно равнялась 0,78 мкм. В промежутке между этими двумя многослойными волноводами находился плоский слой Al_yGa_1-yAs с y≈0,25 толщиной всего 0,7 мкм. Сверху и снизу MQW-структур располагались относительно толстые слои Al_zGa_1-zAs с z= 0,27 толщиной более 2 мкм. В таких ТСОВ достигался большие коэффициенты туннельной связи: K≈10^-2 на длине волны λ =0,78 и K≈4·10^-2 на длине волны λ = 1,56, что позволяло в условиях синхронизма связанных волн в большей степени, чем в примерах 6 и 7 компенсировать частотную дисперсию среды и достичь примерно на порядок большего коэффициента усиления сигнала. Так же как и в предыдущих примерах, через волноводы в поперечном направлении пропускался постоянный ток порядка 20 мА. Длины волн и другие параметры сигнала и накачки примерно соответствовали примерам 6 и 7.

Пример 9. Использовались те же квадратично-нелинейные ТСОВ, что и в примерах 6 и 7, передача и ввод оптического излучения в нелинейные ТСОВ осуществлялись с помощью волоконных световодов (фиг.7). Полупроводниковый лазер 15 накачки с длиной волны λ =0,78 мкм был состыкован с одним из волоконных световодов, на торце которого была выполнена параболическая (или коническая) линза, а сигнальное излучение с длиной волны λ =1,56 мкм подводилось по волоконно-оптической линии. Перед входом в один из нелинейных волноводов может быть установлен электрооптический элемент, в частности, выполненный в виде отрезка волновода, который позволяет выбрать оптимальную разность фаз излучений сигнала и накачки, при которой достигается максимальное усиление сигнала. На выходе системы возникал усиленный на три порядка информационный сигнал с λ =1,56 мкм, который мог затем передаваться далее по волоконно-оптической линии связи.

Данная конструкция представляла по существу компактный, эффективный, малошумящий, сверхбыстродействующий, чисто оптический волноводный ретранслятор для волоконно-оптической линии связи.

Пример 10. Использовалось то же соединение волноводов, что и в примере 9 (фиг. 7), но в качестве нелинейных ТСОВ использовались кубично-нелинейные ТСОВ на основе MQW-структуры с экситонным резонансом вблизи длины волны λ = 0,78 мкм. На выходе системы возникал усиленный на два порядка информационный сигнал на несущей частоте, соответствующей длине волны λ =0,78 мкм. При этом преобразование мощности излучения с одной несущей частоты на другую в нелинейных ТСОВ отсутствовало (в отличие от примера 9).

Пример 11. Использовались те же квадратично-нелинейные ТСОВ, что и в примерах 6 и 7, передача и ввод оптического излучения в нелинейные ТСОВ осуществлялись с помощью волоконных световодов (фиг.8а). В нулевой волновод вводилось излучение с длиной волны λ =1,56 мкм с помощью волоконного световода, состыкованного с этим лазером, при этом в этом волноводном канале может быть установлен аттенюатор и оптический изолятор. В другой нелинейный волновод вводилось излучение от полупроводникового лазера с длиной волны λ = 0,78 мкм. Это делалось посредством волоконного световода, состыкованного с этим лазером и нелинейным волноводом. В одном из волоконных каналов был установлен электрооптический элемент 16 в виде отрезка волновода из электрооптического материала для обеспечения возможности изменения разности фаз излучений накачки и сигнала на входе нелинейных ТСОВ. Подавая электрический сигнал на электрооптический элемент, добивались амплитудной модуляции излучения на выходе.

Схема преобразования фазовой модуляции в амплитудную может быть несколько иной (фиг.8б). Вместо одного из полупроводниковых лазеров может использоваться дополнительный квадратично-нелинейный элемент 17, преобразующий частоту излучения. В этом случае через него пропускается часть излучения полупроводникового лазера (например, генерирующего излучение с длиной волны 0,78 мкм). В качестве этого элемента можно опять-таки применить волновод или ТСОВ на основе MQW-структуры (сквозь которую пропускается электрический ток). Сигнал с выхода дополнительного квадратично-нелинейного элемента поступает на вход одного из квадратично-нелинейных ТСОВ, на основе MQW-структуры. На другой вход этих нелинейных ТСОВ поступает другая часть излучения указанного полупроводникового лазера.

В одном из оптических каналов находится электрооптический модулятор 16.

В приведенных примерах 9-11 для устранения обратного влияния излучения, отраженного от торцов волноводов и других оптических элементов, на источник излучения или иные оптические элементы, расположенные перед указанными волноводами, перед элементами ввода и/или после элементов вывода могут быть установлены магнитооптические волноводные изоляторы.

Формула изобретения

1. Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, осуществляемый с использованием туннельно связанных оптических волноводов, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, включающий ввод оптического излучения по крайней мере в один нелинейный волновод и вывод оптических излучений, отличающийся тем, что используют волноводы, обладающие кубичной и/или квадратичной нелинейностью, при вводе оптического излучения с интенсивностью выше пороговой в нелинейный волновод осуществляют изменение во времени интенсивности, и/или длины волны, и/или поляризации вводимого оптического излучения, и/или внешнего электрического или магнитного поля, приложенного по крайней мере к одному нелинейному волноводу, при этом длину волны λ излучения выбирают из условия 0,5λ_r≅ λ ≅ 1,5λ_r, где λ_т - длина волны одно- и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре, а при выводе излучений осуществляют разделение и/или выделение излучений путем вывода излучений из различных волноводов и/или посредством разделителя, при этом через волноводы в поперечном направлении пропускают электрический ток.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае кубично-нелинейных туннельно связанных волноводов при вводе излучения выбирают его интенсивность в диапазоне (0,5 - 1,5)I_м, где I_м - критическая интенсивность.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в случае кубично-нелинейных туннельно связанных волноводов при вводе излучения выбирают его интенсивность в диапазоне (0,9 - 1,1)I_м.

4. Способ по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что посредством разделителя разделяют излучения различных поляризаций, и/или различных длин волн, и/или различных мод или выделяют излучение по крайней мере одной поляризации, и/или длины волны, и/или моды.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что используют излучение линейной, или циркулярной, или эллиптической поляризации.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что используют излучение полупроводникового лазера с регулируемой и/или стабилизируемой длиной волны, причем длину волны регулируют и/или стабилизируют изменением и/или стабилизацией температуры полупроводниковой структуры лазера.

7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что перед вводом излучения в нелинейный волновод и/или после прохождения им волноводов излучение фокусируют и/или коллимируют с помощью цилиндрических линз и/или граданов.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что ввод излучения по крайней мере один нелинейный волновод и/или вывод излучения по крайней мере из одного волновода осуществляют посредством входного и/или выходного оптического волновода.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что на входном и/или выходном торце по крайней мере одного входного и/или по крайней мере одного выходного оптического волновода выполнены линзы.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что входной волновод выполнен из магнитооптического материала и помещен в соленоид, через который пропускают переменный электрический ток, модулирующий поляризацию излучения, или выполнен в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.

11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что электрический ток пропускают через волноводы в заданные интервалы времени.

12. Способ по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что регулируют температуру полупроводниковой MQW-структуры по крайней мере одного нелинейного оптического волновода для регулирования длины волны экситонного резонанса полупроводниковой MQW-структуры и/или стабилизируют температуру этой полупроводниковой MQW-структуры.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что регулируют и/или стабилизируют температуру полупроводниковой MQW-структуры с помощью элемента Пельтье, снабженного контроллером и/или стабилизатором температуры.

14. Способ по любому из пп.1 - 13, отличающийся тем, что перед входами волноводов и/или на их выходах установлен оптический изолятор.

15. Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, осуществляемый с использованием туннельно связанных нелинейных оптических волноводов, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, включающий ввод оптического сигнального излучения по крайней мере в один из нелинейных волноводов и оптического излучения накачки по крайней мере в один нелинейный волновод и вывод излучений, отличающийся тем, что используют волноводы, обладающие кубичной и/или квадратичной нелинейностью, интенсивность излучения накачки выбирают выше пороговой, при вводе сигнального излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение во времени интенсивности, или фазы, или длины волны, или поляризации сигнального излучения, и/или фазы излучения накачки или изменение во времени интенсивностей или поляризаций излучения накачки и сигнального излучения, при этом длину волны λ излучения накачки и/или сигнального излучения выбирают из условия 0,5λ_r≅ λ_r ≅ 1,5λ_r, где λ_т - длина волны одно- и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре, а при выводе излучения осуществляют разделение и/или выделение излучений путем вывода из различных волноводов и/или посредством разделителя, при этом через волноводы в поперечном направлении пропускают электрический ток.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что в случае кубично-нелинейных туннельно связанных волноводов при вводе излучения накачки выбирают его интенсивность в диапазоне (0,5 - 1,5)I_м, где I_м - критическая интенсивность.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что в случае кубично-нелинейных туннельно связанных волноводов при вводе излучения накачки выбирают его интенсивность в диапазоне (0,9 - 1,1)I_м.

18. Способ по любому из пп.15 - 17, отличающийся тем, что одновременно с вводом сигнального излучения в один нелинейный волновод осуществляют ввод еще по крайней мере одного сигнального излучения в этот же или в другой нелинейный волновод, причем у всех сигнальных излучений переменными являются одни и те же параметры.

19. Способ по любому из пп.15 - 18, отличающийся тем, что посредством разделителя разделяют излучения различных поляризаций, и/или различных длин волн, и/или различных мод или выделяют излучение по крайней мере одной поляризации, и/или длины волны, и/или моды.

20. Способ по любому из пп.15 - 19, отличающийся тем, что интенсивность излучения накачки по крайней мере на порядок больше интенсивности сигнального излучения.

21. Способ по любому из пп.15 - 19, отличающийся тем, что используют излучение накачки и сигнальное излучение с интенсивностями, отличающимися от их среднего геометрического значения не более чем на порядок.

22. Способ по любому из пп.15 - 19, отличающийся тем, что используют излучение накачки полупроводникового лазера с регулируемой и/или стабилизируемой длиной волны, причем длину волны регулируют и/или стабилизируют изменением и/или стабилизацией температуры полупроводниковой структуры лазера.

23. Способ по любому из пп.15 - 20, отличающийся тем, что используют излучение накачки и сигнальное излучение с одинаковой поляризацией и/или одинаковой длиной волны.

24. Способ по любому из пп.15 - 20, отличающийся тем, что используют излучение накачки и сигнальное излучение с различной линейной поляризацией, при этом на выходе нелинейных волноводов излучения различных поляризаций разделяются или по крайней мере одно из них выделяется посредством разделителя.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что используют излучение накачки и сигнальное излучение с линейной взаимно ортогональной поляризацией.

26. Способ по пп. 15 - 20, отличающийся тем, что используют излучение накачки и сигнальное излучение одной или противоположных циркулярных поляризаций, при этом на выходе нелинейных волноводов излучения различных поляризаций разделяются или по крайней мере одно из них выделяется посредством разделителя.

27. Способ по любому из пп.15 - 20, отличающийся тем, что используют излучение накачки и сигнальное излучение одинаковой или различной эллиптической поляризации, при этом на выходе нелинейных волноводов излучения различных поляризаций разделяются или по крайней мере одно их них выделяется посредством разделителя.

28. Способ по любому из пп.15 - 20, отличающийся тем, что используют излучение накачки и сигнальное излучение различных длин волн, при этом на выходе нелинейных волноводов излучения различных длин волн разделяются или по крайней мере одно из них выделяется посредством разделителя.

29. Способ по любому из пп.15 - 28, отличающийся тем, что перед вводом излучений в нелинейные волноводы и/или после прохождения ими волноводов излучения фокусируют и/или коллимируют цилиндрическими линзами и/или граданами.

30. Способ по любому из пп.15 - 28, отличающийся тем, что ввод излучений в нелинейные волноводы и/или вывод излучений из волноводов осуществляют посредством по крайней мере одного входного и/или по крайней мере одного выходного оптического волновода.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что на входных и/или выходных торцах входных и/или выходных оптических волноводов выполнены линзы.

32. Способ по п.30, отличающийся тем, что по крайней мере один входной волновод выполнен из магнитооптического материала и помещен в соленоид, через который пропускается переменный электрический ток, модулирующий поляризацию сигнального излучения, или выполнен в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.

33. Способ по любому из пп.15 - 32, отличающийся тем, что электрический ток пропускают через полупроводниковую структуру в заданные интервалы времени.

34. Способ по любому из пп.15 - 32, отличающийся тем, что регулируют температуру полупроводниковой MQW-структуры по крайней мере одного нелинейного оптического волновода для регулирования длины волны экситонного резонанса полупроводниковой MQW-структуры и/или стабилизируют температуру этой полупроводниковой MQW-структуры.

35. Способ по п.34, отличающийся тем, что регулируют и/или стабилизируют температуру полупроводниковых MQW-структур с помощью элемента Пельтье, снабженного контроллером и/или стабилизатором температуры.

36. Способ по любому из пп.15 - 35, отличающийся тем, что перед входами волноводов и/или на их выходах установлен оптический изолятор.

37. Устройство для переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, содержащее два туннельно связанных нелинейных оптических волновода, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, отличающееся тем, что при этом устройство содержит по крайней мере один оптический элемент ввода и/или вывода, расположенный соответственно на входе и/или выходе по крайней мере одного нелинейного волновода, каждая слоистая полупроводниковая структура снабжена контактами для пропускания электрического тока через структуру в направлении, перпендикулярном слоям, соединенными с источником тока, причем элементы ввода и/или вывода и нелинейные волноводы выполнены в виде единого модуля, при этом элементы ввода и/или вывода установлены относительно по крайней мере одного нелинейного волновода с точностью, обеспечиваемой их юстировкой по люминесцентному излучению полупроводниковой структуры при пропускании через нее электрического тока.

38. Устройство по п. 37, отличающееся тем, что источник тока является низкошумящим с шумами, не превышающими 0,5 мА.

39. Устройство по п.37 или 38, отличающееся тем, что дополнительно содержит полупроводниковый лазер, соединенный по крайней мере с одним нелинейным волноводом посредством элемента ввода.

40. Устройство по п.39, отличающееся тем, что используют полупроводниковый лазер с шириной линии, не превышающей 20 41. Устройство по п.40, отличающееся тем, что полупроводниковый лазер выполнен с внешним резонатором и/или включает дисперсионный элемент.

42. Устройство по п.41, отличающееся тем, что дисперсионный элемент выполнен в виде дифракционной решетки.

43. Устройство по п.37, отличающееся тем, что туннельно связанные нелинейные оптические волноводы выполнены разделяющими излучения различных поляризаций, и/или длин волн, и/или мод на выходе устройства.

44. Устройство по п.37, отличающееся тем, что каждая полупроводниковая структура выполнена в виде чередующихся слоев GaAs/Al_xGa_1-xAs или In_1-xGa_xAs_yP_1-y/GaAs или Ga_xIn_1-xAs/GaAs.

45. Устройство по любому из пп.37 - 44, отличающееся тем, что элементы ввода и/или вывода выполнены в виде объективов.

46. Устройство по п.45, отличающееся тем, что по крайней мере один объектив состоит из цилиндрической линзы и/или градана.

47. Устройство по любому из пп.37 - 44, отличающееся тем, что элементы ввода и/или вывода выполнены в виде входного и/или выходного оптических волноводов.

48. Устройство по п.47, отличающееся тем, что на входных и/или выходных торцах входного и/или выходных оптических волноводов сформированы линзы.

49. Устройство по любому из пп.37 - 48, отличающееся тем, что дополнительно содержит смеситель излучения накачки и по крайней мере одного сигнального излучения, установленный на входе устройства.

50. Устройство по п.49, отличающееся тем, что смеситель выполнен в виде волноводного соединителя, выходная ветвь которого является входным волноводом.

51. Устройство по п.50, отличающееся тем, что волноводный соединитель выполнен в виде по крайней мере одного Y-соединителя или направленного ответвителя.

52. Устройство по любому из пп.47 - 51, отличающееся тем, что по крайней мере один входной волновод выполнен из магнитооптического материала и помещен в соленоид, через который пропускается переменный электрический ток, модулирующий поляризацию сигнального излучения, или выполнен в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.

53. Устройство по любому из пп.47 - 52, отличающееся тем, что элементы ввода и/или вывода соединены с нелинейными волноводами склейкой или посредством миниатюрных механических соединителей.

54. Устройство по любому из пп.37 - 53, отличающееся тем, что разделитель предназначен для разделения или выделения излучений различных поляризаций и выполнен в виде поляроида, или поляризационной призмы, или двоякопреломляющей призмы, или направленного ответвителя, разделяющего поляризацию.

55. Устройство по любому из пп.37 - 53, отличающееся тем, что разделитель предназначен для разделения или выделения излучений различных длин волн и выполнен в виде дисперсионного элемента, или фильтра, или направленного ответвителя.

56. Устройство по любому из пп.37 - 53, отличающееся тем, что разделитель предназначен для разделения или выделения излучений различных мод и выполнен в виде диафрагмы или волноводного разделителя мод.

57. Устройство по любому из пп.37 - 56, отличающееся тем, что на входе и/или выходе нелинейных волноводов установлена диафрагма и/или кварцевый кубик.

58. Устройство по любому из пп.39 - 57, отличающееся тем, что в него дополнительно введен элемент Пельтье, который находится в тепловом контакте с нелинейными волноводами, а полупроводниковый лазер и/или элементы Пельтье снабжены контроллерами и/или стабилизаторами температуры.

59. Устройство по любому из пп.39 - 57, отличающееся тем, что полупроводниковый лазер и/или нелинейные волноводы снабжены драйверами и/или стабилизаторами тока.

60. Устройство по любому из пп.37 - 59, отличающееся тем, что источник постоянного тока снабжен быстродействующим выключателем.

61. Устройство по любому из пп.37 - 60, отличающееся тем, что дополнительно содержит по крайней мере один модуль, аналогичный первому, причем по крайней мере один элемент ввода каждого последующего модуля оптически связан по крайней мере с одним элементом вывода предшествующего модуля.

62. Устройство по п.61, отличающееся тем, что элементы ввода/вывода расположенных последовательно модулей выполнены в виде единых или состыкованных волноводов.

63. Устройство по любому из пп.37 - 62, отличающееся тем, что перед элементами ввода и/или после элементов вывода установлены оптические изоляторы.

64. Устройство по п.63, отличающееся тем, что оптические изоляторы выполнены магнитооптическими волноводными.

65. Устройство по любому из пп.37 - 64, отличающееся тем, что оба туннельно связанных нелинейных оптических волновода выполнены в виде единой слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11